DE69102440T2

DE69102440T2 - Integrierter optischer Signalverstärker.

Info

Publication number: DE69102440T2
Application number: DE69102440T
Authority: DE
Inventors: Carlos Obadia Nissi Benveniste; Douglas Warren Hall; Richard Jansen; Pascale Laborde; Christian Lerminiaux
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Oclaro North America Inc
Priority date: 1990-02-01
Filing date: 1991-01-18
Publication date: 1994-10-06
Anticipated expiration: 2011-01-19
Also published as: FR2657731B1; AU647069B2; KR920000158A; CA2035408C; CA2035408A1; FR2657731A1; AU6991491A; EP0440049B1; DE69102440D1; HK147894A; JP2952056B2; KR0160135B1; EP0440049A1; JPH04213884A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Signalverstärker und insbesondere einen derartigen Verstärker, der durch eine Technologie integrierter Optik hergestellt ist.
Es sind optische Wellenleiter-Signalverstärker bekannt, die aus einer optischen Wellenleiter-Faser aus Glas bestehen, die mit einem optisch aktiven Material, beispielsweise einem Seltenerd-Metalloxid, dotiert ist, damit ein Verstärkereffekt durch stimulierte Emission erzeugbar ist. Diese Verstärker enthalten eine Einrichtung zum Injizieren einer Pumpstrahlung in die Verstärkerfaser an einem ihrer Enden, wobei die Strahlung bei der Absorptions-Wellenlänge der dotierten Verstärkerfaser aus Glas von einem Laser emittiert wird, und zwar zusammen mit einer modulierten Signalstrahlung bei einer Wellenlänge in dem Spektralband der Emission des dotierten Glas-Verstärkers. Das verstärkte optische Signal wird von dem Wellenleiter an dem anderen Ende der Verstärkerfaser extrahiert.
Ein derartiger Verstärker ist in E. Desurvire et al., "High-gain erbium-doped traveling-wave fiber amplifier", Optical Letters, Bd. 12, Nr. 11, Seiten 388-390, November 1987 beschrieben. Auch M.C. Farries et al., Operation of Erbium-Doped Fiber Amplifiers and Lasers Pumped with Frequency-Doubled Nd:YAG Lasers", Journal of Lightwave Technology, Bd. 7, Nr. 10, Seiten 1474-1477, Oktober 1989 ist auf einen Verstärker dieser Art gerichtet.
Solche Verstärker sind zur Benutzung bei auf optischen Fasern basierenden Telekommunikationssystemen für große Entfernungen bestimmt, welche heutzutage sehr vielversprechend zu sein scheinen. Heutige Systeme enthalten opto-elektronische Zwischenverstärker, die entlang der Länge der Faser in Abständen zum Verstärken der optischen Signale vorgesehen sind, da die Dämpfung der Faser in der Größenordnung von mehreren zehn Dezibel pro Kilometer liegt. Diese opto-elektronischen Zwischenverstärker enthalten einen opto-elektrischen Wandler am Eingang, einen elektronischen Verstärker für das elektrische Signal und einen elektro-optischen Wandler am Ausgang. Demgemäß sind diese Zwischenverstärker kompliziert, unhandlich und teuer.
Es wird daher gewünscht, diese opto-elektronischen Zwischenverstärker durch optische Signalverstärker der oben beschriebenen Art zu ersetzen, die den Vorteil aufweisen, die opto-elektronische Umwandlung von Signalen durch direktes Einwirken auf das optische Signal zu eliminieren. Damit der nötige Verstärkungspegel erreicht wird, ist die Länge des Verstärkerwellenleiters gegenwärtig in der Größenordnung von einem bis zu mehreren Metern für ein Signal, das bei einer Wellenlänge von 1,5 um übertragen wird, die eine der typischen Wellenlängen ist, die bei optischer Telekommunikation benutzt wird. Zusätzlich sind auch die folgenden zusätzlichen Komponenten erforderlich: eine Einrichtung zum Stützen der optischen Faser, die gegenüber Störungen empfindlich ist; eine Einrichtung zum Verbinden der Enden der Faser mit Eingangs- und Ausgangsfasern; und eine Einrichtung zum optischen Koppeln der Verstärkerfaser mit einem Pumplaser. Ein Zusammenbau aller dieser einzelnen Einrichtungen ist schwierig und somit teuer, und der resultierende Verstärker ist uhhandlich.
Es sind Laser-Wellenleiter unter Benutzung eines Ionenaustausches in Glas hergestellt worden. In Najafi et al., "Ion-exchanged rare-earth doped waveguides", SPIE Bd. 1128, Glasses for Optoelectronics, 1989, Seiten 142-144, ist ein Beispiel eines flachen Wellenleiters angegeben, der durch Ag&spplus;-Li&spplus;-Austausch in einem mit Neodym dotierten Lithium-Silikat-Glassubstrat hergestellt ist. Ein Farbstofflaser, der bei 590 nm arbeitet, wurde in Längsstrahlrichtung zum Wellenleiter gekoppelt, und das Ausgangssignal wurde zum Zeigen einer Fluoreszenz bei der Emissionswellenlänge des mit Neodym dotierten Glases gemessen. Fig. 3 von Najafi et al. zeigt einen flachen Wellenleiter mit Gittern, die als Spiegel dienen, wodurch ein Laseroszillator erzeugbar ist.
Ein Laseroszillator ist kein Signalverstärker, weil die Ausgangsleistung keine Funktion des Eingangssignals ist. Ein Laseroszillator erfordert sowohl ein Verstärkungsmedium als auch eine Rückkoppeleinrichtung. Es ist möglich, einen Laseroszillator mit einer kurzen Weglänge und sehr geringer Verstärkung bei einem einzigen Durchgang durch das Verstärkungsmedium zu erzeugen (Einweg-Verstärkung). Viele Durchgänge durch das Verstärkungsmedium sind notwendig zum Erzeugen des erforderlichen Leistungspegels. Die Einweg-Verstärkung in einem derartigen Laseroszillator ist für einen praktischen Signalverstärker nicht ausreichend.
Demgernäß sind andere Mittel als eine Oszillation zwischen Spiegeln zum Erhöhen der Verstärkung eines Signalverstärkers erforderlich.
Ein Mittel zum Erhöhen der Einweg-Verstärkung besteht im Erhöhen des Betrags der optisch aktiven Arten in einem Signalverstärkerweg einer gegebenen Länge. Es gibt jedoch eine Grenze bezüglich der Konzentration des Seltenerd-Dotierungsmittels, das in einem Glas-Grundmaterial ohne ernsthafte schädliche Effekte enthalten sein kann. Weiterhin ist der Gesamtbetrag des Dotierungsmittels, das in einem System für einen Betrieb bei einem bestimmten Wellenlängen-Absorptionsband erforderlich ist, eine Funktion der pump-Absorptionseffizienz (Wirkungsquerschnitt der stimulierten Emission) des Dotieningsmittels bei jener Wellenlänge. Daher ist für einige Dotierungsmittel, die in Systemen benutzt werden, die bei bestimmten Absorptionswellenlängen arbeiten, zum Erreichen eines praktikablen Pegels der Verstärkung des Verstärkers eine relativ lange Länge des Verstärker-Wellenleiters erforderlich.
Die deutsche Patentveröffentlichung DE-OS 22 60 987 von Siemens ist auf einen Laseroszillator gerichtet, wobei das aktive Material in der Form eines spiralförmigen Wellenleiters (2) vorgesehen ist, der zwischen einem Substrat (1) und einem transparenten Dielektrikum (4) zwischengelagert ist. Ein elektrolumineszentes Material (5) bedeckt das transparente Dielektrikum und wird dazu benutzt, eine Strahlung in dem Wellenleiter anzuregen, die zwischen seinen zwei Enden rückwärts und vorwärts oszilliert. Dieser Laseroszillator-Aufbau ist aufgrund der Oszillation und weil es nicht möglich ist, das Signal in den spiralförmigen Wellenleiter einzuführen, sondern nur die Pumpstrahlung, als Signalverstärker unbrauchbar.
Die deutsche Patentveröffenlichung 21 40 500, die auch von Siemens ist, ist auf einen optischen Detektor gerichtet, der einen mäanderförmigen kristallinen Neodym-Wellenleiter enthält, der mit einem Substrat verklebt ist. Der Wellenleiter arbeitet als Vorverstärker mit Tor für den Detektor, und das aktive Material wird durch eine stimulierende Lichtquelle von oben durch eine über den Wellenleiter angebrachte transparente Schicht stimuliert. Die stimulierende Strahlung wird über die gesamte Länge des Wellenleiters angebracht und nicht an einem Ende. Der Wellenleiter ist nicht in einem Glaskörper integriert, sondern hat eine Einkristall-Struktur, die mit einem Substrat verklebt ist.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen optischen Signalverstärker zu schaffen, der ökonomisch und nicht unhandlich ist, und der einen Aufbau aus einer minimalen Anzahl von Bauteilen erfordert.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in einem Verfahren zum Herstellen eines derartigen Verstärkers, das eine Integration der Verstärkerbauteile zuläßt, die zum Verbinden des Verstärker-Wellenleiters mit den optischen Fasern nötig sind, die das optische Signal weiterleiten.

ZUSAMMENASSUNG DER ERFINDUNG

Diese und weitere Aufgaben werden mittels der vorliegenden Erfindung gelöst, die einen optischen Signalverstärker mit stimulierter Emission betrifft, der aus einem optischen Wellenleiter aus Glas besteht, der mit einem optisch aktiven Material dotiert ist, das unter Pumpstrahlung eine Besetzungsumkehr erzeugen kann. Der Verstärker enthält eine Einrichtung zum Einkoppeln von durch einen Laser emittierter Pumpleistung in den Wellenleiter an einem Ende bei einer Absorptionswellenlänge des aktiven Materials, und eine Einrichtung zum Einkoppeln von Signalleistung in den Wellenleiter, die durch das zu verstärkende Eingangssignal moduliert wird, bei der Emissionswellenlänge des aktiven Materials. Der Wellenleiter ist in einen Glaskörper integriert und eingebettet, der mit dem optisch aktiven Material dotiert ist. Der Wellenleiter ist in dem Glaskörper in eng beabstandeten benachbarten Führungslängen integriert, um den Raum zu minimieren, der für eine gegebene Länge des Wellenleiters nötig ist.
Bei einem Ausfühungsbeispiel der Erfindung bilden die Führungslängen des optischen Verstärkers einen spiralförmigen Weg. Der spiralförmige Weg kann aus aufeinanderfolgenden halbkreisförmigen Führungslängen bestehen, deren Radien gemäß einer arithmetischen Reihe von der Außenseite der Spirale zu ihrem Zentrum abnehmen.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Führungslängen des optischen Verstärkers koplanar und im wesentlichen parallel, und gekrümmte Abschnitte des Wellenleiters verbinden jedes Paar der benachbarten Führungslängen auf einer Seite. Die gekrümmten Abschnitte des Wellenleiters sind an abwechselnden Seiten des Körpers für aufeinanderfolgende Paare von Führungslängen ausgebildet.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält der optische Signalverstärker Spiegel an zwei parallelen Flächen des Glaskörpers, und der Wellenleiter definiert einen planaren optischen Weg, der zwischen diesen zwei Spiegeln zickzack-förmig verläuft.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung kann der Wellenleiter aus mehreren Wegen bestehen, die einander in verschiedenen Ebenen überlagert sind, mit Mitteln zum Verbinden der unterschiedlichen Wege, um den Wellenleiter auszubilden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht in einem Verfahren zum Herstellen eines optischen Signalverstärkers durch Integrieren und Einbetten eines optischen Wellenleiters in einen Glaskörper, der mit optisch aktivem Material dotiert ist. Die Integration und das Einbetten werden unter Verwendung eines photolithographischen Maskierens und eines Ionenaustausches ausgeführt. Der Wellenleiter wird in dem Glaskörper in eng beabstandeten benachbarten Führungslängen integriert, um den Abstand zu minimieren, der für eine gegebene Länge des Wellenleiters notwendig ist. In dem dotieren Glaskörper können auch Koppler an den Enden des Wellenleiters integriert werden, und zwar der Koppler an einem Ende zum Bereitstellen des Pumpleistungseingangs zu dem Leiter, und der Koppler an dem anderen Ende zum Extrahieren des verstärkten Lichtsignals.
Durch Benutzen der Technologie intergrierter Optik zum Herstellen des optischen Signalverstärkers gemäß der Erfindung erhält man einen kompakten Verstärker, der in großen Mengen und bei reduzierten Kosten herstellbar ist. Zusätzlich können andere Verstärkerbauteile an den Enden des Wellenleiters integriert werden. Beispielsweise kann der Pumplaser selbst direkt dem Verstärker ohne bewegliche Anschlußkabel bzw. Streifenleiterabschlüsse in einer Hybridschaltung zugeordnet werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Schaubild eines optischen Signalverstärkers, der gemäß dem Stand der Technik hergestellt ist.
Fig. 2 ist ein Schaubild eines optischen Signalverstärkers, der gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hergestellt ist.
Fig. 3 stellt ein Ausführungsbeispiel des Verstärker-Wellenleiters der vorliegenden Erfindung dar, der durch eine Technologie integrierter Optik und ein Benutzen paralleler Spiegel hergestellt ist.
Fig. 4 stellt ein zweites Ausführungsbeispiel des Verstärker-Wellenleiters der vorliegenden Erfindung dar, der durch eine Technologie integerierter Optik und ein Benutzen krummliniger Wegverbindungen hergestellt ist.
Fig. 5 stellt ein drittes Ausführungsbeispiel des Verstärker-Wellenleiters der vorliegenden Erfindung dar, der durch eine Technologie integrierter Optik und ein Benutzen eines spiralförmigen Wegs hergestellt ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Fig. 1 zeigt einen optischen Signalverstärker nach dem Stand der Technik, dessen Beschreibung nützlich für eine Einschätzung der Vorteile der vorliegenden Erfindung ist. Für weitere Details, die einen derartigen Verstärker betreffen, kann man auf die oben bei der Beschreibung des Hinterguunds angegebenen Artikel Bezug nehmen.
Der Verstärker in Fig. 1 enthält eine optische Faser, die beispielsweise eine Länge von mehreren Metern aufweist, und aus Gründen der Kompaktheit auf eine Spule gewickelt ist. In Fig. 1 sind drei Windungen der Wicklung gezeigt. Wie es in den vorgenannten Artikeln beschrieben ist, ist diese Faser aus Glas hergestellt, das mit einem optisch aktiven metallischen Oxid wie beispielsweise Erbium (Er³&spplus;) dotiert ist, das unter der Einwirkung der Emission eines Pumplasers oder einer Pumpe 4 einen Verstärkungseffekt erzeugen kann. Die Pumpemission wird durch einen dichroitischen Spiegel 2 zu der Faser 1 ausgegeben. Wie es in der Technik bekannt ist, wird der Pumplaser derart ausgewählt, eine Pumpstrahlung bei einer Wellenlänge zu emittieren, die einem Absorptionsband des optisch aktiven Materials in der Faser 1 entspricht. Die Faserlänge ist eine Funktion der Leistung der Pumpe und der Dotierungsquantität, welche selbst Funktionen der Verstärkung sind, die zum Verstärken des Eingangssignals erforderlich ist.
Ein zu verstärkendes optisches Signal So, das in ein Trägerlicht der Wellenlänge λs moduliert ist und in einer optischen Eingangsfaser 3 oder einem anderen Wellenleiter übertragen wird, wird durch Reflexion an dem dichroitischen Spiegel 2 in die Faser 1 injiziert. Das Signal So wird mittels der stimulierten Emission in der optischen Faser 1 verstärkt. Nach der Verstärkung wird das Signal Sa von der Pumpenergie durch ein optisches Filter 5 bei dem Ausgangsende der Faser 1 getrennt.
Das Signal Sa kann dann wieder in eine optische Ausgangsfaser 6 injiziert werden, um weiter übertragen zu werden, und zwar ähnlich zu einer nochmaligen Übertragung nach einer opto-elektronischen Verstärkung durch einen Zwischenverstärker bei bestehenden Telekommunikationssystemen. Somit kann der Verstärker in Fig. 1 einen opto-elektronischen Zwischenverstärker ersetzen, der herkömmlicherweise zum Regenerieren des weiter zu übertragenden Signals benutzt wird, nachdem das Signal über die Länge der optischen Faser 3 gedämpft worden ist, deren Ende mit dem Verstärkereingang gekoppelt ist.
Wie es auch oben beschrieben ist, ist es dann notwendig, wenn ein bis mehrere Meter der optischen Faser notwendig sind, um den Pegel der für das Signal So notwendigen Verstärkung zu erreichen, die Faser auf einen Spulenkörper oder eine Spule zu wickeln. Zusätzlich muß die aufgewickelte Faser 1 mit Bauteilen 2 und 5 verbunden werden, und eine weitere Verbindung muß mit der Eingangsfaser 3 und der Ausgangsfaser 6 vorgesehen werden. Dies bildet eine unhandliche Anordnung, die langwierig herzustellen und somit teuer ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden diese Schwierigkeiten durch das Benutzen einer Technologie integrierter Optik zum Herstellen eines Wellenleiters entfernt, der einen optischen Weg definiert, der in einem Glaskörper eingebettet ist, der mit optisch aktivem Material dotiert ist. Ein Verstärkereffekt wird in dem optisch aktiven Material durch eine Besetzungsumkehr erzeugt, die durch eine Pumpstrahlung hervorgerufen wird. Die Technologie integrierter Optik wird benutzt, um einen Wellenleiterweg mit einer maximierten Länge pro Einheitsbereich in den dotierten Glaskörper zu integrieren. Somit wird ein kompakter Verstärker mit einem Herstellungsverfahren hergestellt, das sich für billige Massenproduktion eignet.
Das benutzte Verfahren ist vorzugsweise jenes, das in dem US-Patent 4,765,702 von Dohan et al., dem US-Patent 4,933,262 von Beguin und dem US-Patent 4,943,130 von Dannoux et al. beschrieben ist, die dem Anmelder der vorliegenden Erfindung gehören. Beispielsweise beschreibt das US-Patent 4,765,702 die Herstellung einer photolithographischen Maske auf der Oberfläche eines Körpers aus Glasmaterial, wie beispielsweise Glas. Zum Erhalten des bei der vorliegenden Erfindung erforderlichen Verstärkereffekts benutzen wir einen Glaskörper, der mit einem Seltenerd-Metalloxid dotiert ist, wie es oben beschrieben ist. Die Maske ist in der Form des in den Körper zu integrierenden Wellenleiters ausgebildet. Ein erster Ionenaustausch über der Maske bildet den Wellenleiter in dem Körper aus. Ein zweiten Ionenaustausch unter einem elektrischen Feld bettet diesen Wellenleiter nach der Entfernung der Maske unter der Oberfläche des Körpers ein.
Dieses Verfahren, das den Verfahren zum Herstellen integrierter elektronischer Schaltkreise ähnlich ist, eignet sich für eine billige Massenherstellung von Wellenleitern in relativ komplexen Formen, was bei der vorliegenden Erfindung vorteilhaft ist, wie es unten erklärt ist.
Fig. 2 ist ein Schaubild eines optischen Signalverstärkers, der gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hergestellt ist. In der folgenden Beschreibung bezeichnen Bezugszeichen mit einem Strich identische oder analoge Merkmale. Der in Fig. 2 gezeigte Verstärker besteht aus einem Glasmaterial-(Glas-)-Körper, der, wie oben beschrieben, mit einem optisch aktiven Material dotiert ist, um einen Verstärkereffekt zu entwickeln. Gemäß der Erfindung enthält der Körper 7 einen integrierten Wellenleiter 1', der unter der Oberfläche des Körpers 7 eingebettet ist. Dieser Leiter ist mittels einer Maske mit der Form des Wellenleiters 1 und eines doppelten Ionenaustausches hergestellt, wie es in dem US-Patent 4,765,702 beschrieben ist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung können Bauteile, wie beispielsweise ein Wellenlängen-Multiplexkoppler 2' und ein Wellenlängen-Demultiplexkoppler 5', mit dem Verstärker-Wellenleiter integriert sein. Diese Koppler können durch dieselbe Technologie integrierter Optik hergestellt sein wie der Wellenleiter 1'. Verfahren zum Herstellen solcher Koppler als Näherungskoppler (proximity coupler) sind in Verbindung mit Fig. 4 des US-Patents 4,765,702 beschrieben. Dies stellt eine integrierte Anordnung des Wellenleiters und der Koppler zur Verfügung, die besonders kompakt ist und zur billigen Massenherstellung geeignet ist.
Der Koppler 2' ist ein Wellenlängen-Multiplexkoppler, der die Kombination zweier Wellenlängen in einem Verstärker-Wellenleiter 1' zuläßt: i) eine Pumpenergie bei einer Wellenlänge λp, bereitgestellt durch einen Pumplaser 8; und ii) das zu verstärkende Signal bei der Wellenlänge λs, das durch eine Eingangsfaser 3 übertragen wird. Der Demultiplexkoppler 5' erlaubt die Trennung der zwei zu dem Verstärkerausgang ausgegebenen Wellenlängen: i) das verstärkte Signal bei einer Wellenlänge Xs, das zu der optischen Ausgangsfaser 6 gekoppelt ist; und ii) die unabsorbierte Pumpenergie bei einer Wellenlänge λp, die in einen weiteren Weg 5" des Demultiplexkopplers 5' gekoppelt ist. Ein photoempfindliches Bauteil 9, wie beispielsweise eine Halbleiterdiode, die gegenüber einer Strahlung der Länge λp empfindlich ist, kann benutzt werden, um ein Anzeigen der in diesen Weg gekoppelten Leistung zu schaffen. Dieses Anzeigen kann in einer Rückkoppelsteuerung (nicht gezeigt) der Leistung der Laserpumpe 8 benutzt werden.
Somit ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein sehr kleiner Wellenleiter 1' mit beispielsweise einem Durchmesser in der Größenordnung weniger Mikrometer in dem Körper 7 integriert. Dieser Aufbau behält den Verstärkereffekt bei, der andererseits durch den ganzen Körper aufgrund des Dotierens mit optisch aktivem Material entwickelt wird.
Bei der Erfindung benutzbare Dotierungsmittel sind in Najafi et al., "Ion-exchanged rare-earth doped waveguides", First International Congress of Optical Science and Engineering, 24.-28. April 1989, beschrieben. Siehe auch Najafi et al., "Ion-exchanged rare-earth doped waveguides", SPIE Bd. 1128, Glasses for Optoelectronics, 1989, Seiten 142-144. Das Dotierungsmittel wird derart ausgewählt, daß eines der Absorptionsbänder des dotierten Glases eine Mitten-Wellenlänge der Pumplaser-Emission aufweist, und derart, daß dieses Absorptionsband eine Besetzungsumkehr hervorrufen wird, die in einer nochmaligen Emission bei der Wellenlänge des zu verstärkenden Signals, das bedeutet λs, resultieren wird.
Als ein Beispiel können durch das Dotieren mit dem Erbium-Ion Er³&spplus; Absorptionsbänder, die ihre Mitte bei 980 und 1480 nm haben, erzeugt werden, und zwar mit einer nochmaligen Emission bei etwa 1540 nm. Die Emissionswellenlänge entspricht jener des zu verstärkenden Signals, das durch Halbleiter-Laserdioden emittiert wird, die kommerziell verfügbar sind. Ein geeigneter Verstärkereffekt wird mit Erbium-Konzentrationen in der Größenordnung einiger Gewichtsprozent für Wellenleiter-Interaktionslängen in der Größenordnung von einem Meter erhalten.
Es ist auch möglich, das Glas mit anderen metallischen Oxiden, beispielsweise Nd oder Yb, zu dotieren. Auch kann ein Betrieb bei einer anderen Pump-Wellenlänge, beispielsweise 820 nm, mit Erbium-Konzentrationen von weniger als 1 Prozent erreicht werden. Die Stimulation des Erbiums resultiert dann aus dem Pumpen des Neodyms oder des Ytterbiums und aus einem Transfer der Stimulation. Man kann somit die Effektivität des Pumpens verbessern. Wir können diesbezüglich auf Barnes et al., "Er³&spplus; - Yb³&spplus; and Er³&spplus; doped fiber lasers", Journal of Lightwave Technology, Bd. 7, Nr. 10, Oktober 1989, Seiten 1461 ff. Bezug nehmen.
In Fig. 2 enthält der Wellenlängen-Multiplexkoppler 2' wie gezeigt zwei Wellenleiter nahe beieinander. Vorteilhaft ist der Multiplexer zum Minimieren der Dämpfung der zwei Signale, die einander überlagert sind, bei beispielsweise einem Wert von weniger als 10% der Eingangsleistung optimiert. Durch Minimieren der Dämpfungsverluste, die durch das Eingangssignal So zu sehen sind, kann auch die Interaktionslänge, die in dem Verstärker-Wellenleiter 1' nötig ist, minimiert werden.
Die Länge des letzteren ist derart, daß sie eine optimale Länge zeigen muß, die eine Funktion der Leistung ist, die durch eine Quelle 8 zur Übertragung durch eine Verstärker-Faser 8 emittiert wird, und der Konzentration der Dotierungsmittel-Ionen, die in dem Glas des Körpers 7 vorhanden sind. Diese Länge kann typischerweise zwischen 0,5 und 1 Metern variieren.
Bei einem typischen System kann das verstärkte Signal und die unabsorbierte Pumpenergie bei dem Verstärkerausgang mittels eines dichroitischen Filters getrennt werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird diese Funktion durch den Wellenlängen-Demultiplexkoppler 5' ausgeführt, der dem Eingangskoppler 2' analog ist, aber in der umgekehrten Richtung funktioniert. Dieser Demultiplexer 5' kann optimiert werden, um die Pumpleistung zu minimieren, die in dem Weg des verstärkten Signals zurückbleibt, und um somit ein besseres Signal-zu-Rauschverhältnis zu erhalten. Das Benutzen eines derartigen Demultiplexkopplers ist vorteilhaft darin, daß der Weg des verstärkten Signals für andere Zwecke benutzt werden kann, wie beispielsweise das Messen der Leistung des Pumplasers 8 durch ein photoempfindliches Bauteil 9, um die Pumpleistung mittels einer Rückkoppelschleife zu steuern, wie es oben beschrieben ist.
Wir beziehen uns nun auf die Fig. 3 bis 5, die verschiedene Konfigurationen des Verstärker-Wellenleiters gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen, von denen jeder die Kompaktheit zeigt, die ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist. Wie es oben beschrieben ist, kann die Länge des Verstärker-Wellenleiters variieren, und zwar beispielsweise zwischen 0,5 und 10 Metern. Integrierte optische Bauteile sind Glaskörper mit kleinen Oberflächen. Der bei dem Verstärker gemäß der Erfindung benutzte Glaskörper sollte eine reduzierte Oberfläche in der Größenordnung von beispielsweise 20 bis 40 cm² haben. Daher hat der Wellenleiter 1' gemäß der vorliegenden Erfindung eine Konfiguration, die einen optischen Weg definiert, der so lang wie möglich in einem Raum ist, der so klein wie möglich ist.
In Fig. 3 sind zwei Spiegel 10 an zwei parallelen Flächen des Körpers 7 angeordnet, wobei der Wellenleiter 1' einen zickzack-förmigen optischen Weg zwischen den zwei Spiegeln 10 definiert. Zwei benachbarte Leiterlängen 1'a und 1'b sind mit einem Spiegel und dann dem anderen symmetrischen Neigungen in bezug auf eine Linie normal zu dem Spiegel folgend bei einem Verbindungspunkt 11 verbunden. Somit wird das auf den Punkt 11 einfallende empfangene Licht nach einer Übertragung entlang einer Leiterlänge 1' beispielsweise in der benachbarten Leitungslänge reflektiert. Somit wird das Eingangslicht entlang dem Verstärker-Wellenleiter mittels aufeinanderfolgender Reflexionen bei jedem der zwei Spiegel bis zu dem Ende des Leiters 1' geführt, das der optischen Ausgangsfaser 6 am nächsten ist.
Die Spiegel 10 können durch die Metallisierung der zwei parallelen Oberflächen des Körpers 7 ausgebildet sein. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel können diese Spiegel aus unabhängigen Körpern hergestellt sein, die mit dem Körper 7 verbunden sind.
Da die Technologie integrierter Optik, die oben beschrieben ist, das Erzeugen eingebetteter Wellenleiter mit einem Durchmesser von nur wenigen Mikrometern ermöglicht, haben wir den Leiter erfunden, der in Fig. 3 gezeigt ist, der die Anordnung einer großen Länge des Wellenleiters in einem Glaskörper 7 mit einer sehr kleinen Oberfläche ermöglicht.
Gemäß einem weiteren Ausfürhungsbeispiel der Erfindung sind, wie es in Fig. 4 gezeigt ist, die Längen aufeinanderfolgender Leiter (beispielsweise 1'a und I'b) alle koplanar und im wesentlichen parallel zueinander, wobei benachbarte Leiterlängen, die paarweise an einer Seite durch gekrümmte Wellenleiterabschnitte verbunden sind, wie beispielsweise 12, 12', etc. Die gekrümmten Wellenleiterabschnitte sind an abwechselnden Seiten des Glaskörpers 7 für aufeinanderfolgende Paare der Leiterlängen ausgebildet. Dieser Aufbau eliminiert die Notwendigkeit der Spiegel 10, die in Fig. 3 gezeigt sind, deren axiale Positionstoleranz kritisch werden kann. Zum Minimieren der Verluste aufgrund der Ausbreitung in den gekrümmten Abschnitten, die sehr kleine Krümmungsradien haben, dürfen die letzteren nicht weniger als einen bestimmten Wert in der Größenordnung eines Millimeters haben, einen Wert, der eine Funktion der Indexdifferenz zwischen dem Verstärker-Wellenleiter und dem übrigen dotierten Glas des Körpers 7 ist. Als Beispiel muß, damit der Verlust aufgrund der Krümmung bei jedem krummlinigen Abschnitt mit einem Krümmungsradius von 2 mm 0,1 dB nicht überschreitet, die Indexdifferenz in der Grössenordnung von 1% sein.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, das die oben angegebenen Schwierigkeiten vermeidet, ist in Fig. 5 gezeigt, wobei der Verstärker-Wellenleiter in einem spiralförmigen Weg ausgebildet ist. Als ein Beispiel kann der spiralförmige Weg aus halbkreisförmigen Leiterlängen bestehen, die an ihren Enden angeschlossen sind und ausgehend von der Eingangsfaser 3 in Richtung zu der Ausgangsfaser 6 im Durchmesser abnehmen, und zwar in Übereinstimmung mit einer arithmetischen Reihe. Die Fasern 3 und 6 sind mit dem spiralförmigen Weg durch tangentiale Segmente des Leiters 13 bzw. 13' verbunden. Vorzugsweise wird eine halbkreisförmige Länge 14 mit dem Ausgangssegment 13' derart verbunden, daß das Ausgangssegment 13' die Windung entlang einem Durchmesser der halbkreisförmigen Leitungslängen kreuzt. Diese Konfiguration ermöglicht die Minimierung der Verluste an den Schnittpunkten zwischen dem rechteckförmigen Segment 13' und den Windungen des Leiters, die durch dieses Segment gekreuzt werden.
Als ein Beispiel kann gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verstärker-Wellenleiter mit nahezu zwei Metern Länge mit einem Anfangsdurchmesser von etwa 40 mm und einem Enddurchmesser des End-Halbkreises 14 von etwa 18,4 mm erzeugt werden.
Zahlreiche andere Konfigurationen von Spiralen oder anderen Linien können bei dem Verstärker gemäß der Erfindung benutzt werden, vorausgesetzt, daß die Konfigurationen einen dichten Aufbau der benachbarten Leitungslängen sicherstellen, wodurch der Raum, der zum Integrieren eines Leiters einer gegebenen Länge in dem Körper 7 nötig ist, als eine Funktion der durch das Eingangssignal erforderlichen Verstärkung minimiert wird.
Der Verstärker der vorliegenden Erfindung zeigt zahlreiche Vorteile. Er ist kompakt, von geringem Gewicht und für eine billige Massenherstellung geeignet. Er hat wenig Verluste, und zwar primär aufgrund der Tatsache, daß der Verstärker-Wellenleiter eingebettet ist, was ihn gegenüber Oberflächenverlusten immun macht, wahrend Indexprofile aufgebaut werden, die jenen in einer Einzelmode-Faser ähnlich sind. Demgemäß reduziert der erfinderische Verstärkeraufbau die Kopplungsverluste zwischen dem integrierten Verstärker-Wellenleiter und der Ausgangsfaser 6, die an dem Ausgang des Wellenleiters angeschlossen ist.
Das Benutzen von Technolgien integrierter Optik für die Herstellung des Verstärkers gemäß der Erfindung ermöglicht die Herstellung komplexer Schaltungen. Beispielsweise kann eine derartige Schaltung ein optisches Laserpumpen in einer Weise enthalten, die analog zu jener ist, die in dem oben genannten Artikel von Najafi et al. beschrieben ist.
Die Erfindung ist nicht auf die bestimmten Verfahren zur Herstellung beschränkt, die hierin beschrieben und dargestellt sind, die nur als Beispiele angegeben worden sind. Hybridtechniken ähnlich jenen, die in dem US-Patent 4,943,130 von Dannoux et al. beschrieben sind, können benutzt werden, um die Fasern 3 und 6 mit dem Verstärker-Wellenleiter auszurichten. Auch können aktive Bauteile direkt in einem Hybridschaltkreis mit dem Verstärker-Wellenleiter 1' ohne bewegliche Anschlußkabel bzw. Streifenleiterabschlüsse verbunden werden, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Beispielsweise kann der Verstärker eine Pump-Laserdiode 8 und ein photoempfindliches Bauteil 9 für die Detektion unabsorbierten Pumplichtes enthalten. Das fertige optische Bauteil, das somit erhalten wird, ist kompakter und hat eine höhere Leistungsfähigkeit, und die Anzahl von Oberflächen des Bauteils ist reduziert.
Ähnlich dazu kann die Trennung des verstärkten Signals und des Pumplichts bei dem Verstärker-Wellenleiterausgang mit der Hilfe eines dichroitischen Filters erreicht werden, das in einer Vertiefung angeordnet ist, die den Wellenleiter (1') nahe seinem Ausgangsende kreuzt.
Zusätzlich ist die oben beschriebene Anwendung für den erfinderischen Verstärker (d.h. in einer optischen Telekommunikationsschaltung) nicht ausschließlich. Der erfinderische Verstärker kann auch in jedem beliebigen optischen Fasernetzwerk benutzt werden, wo es eine hohe Dichte passiver Bauteile gibt (z.B. Anschlüsse, Koppler, Multiplexer, etc.), wenn ein derartiges Netzwerk die Regeneration übertragener Signale erforderlich macht.
Weiterhin ist die Erfindung nicht auf einen Verstärker beschränkt, der einen Wellenleiter enthält, der in einer einzigen Ebene eingebettet ist. Wenn weitere Kompaktheit für das Bauteil gewünscht wird, kann der Leiter in einem Volumen in mehreren übereinandergelagerten Leiterabschnitten mit Einrichtungen integriert werden, die zum optischen Verbinden der verschiedenen koplanaren Abschnitte des Wellenleiters vorgesehen sind.

Claims

1. Optischer Signalverstärker für stimulierte Emission, mit einem optischen Wellenleiter aus Glas, der mit einem optisch aktiven Material, das zur Erzeugung einer Besetzungsinversion unter Einfluß einer Pumpstrahlung fähig ist, dotiert ist, mit einer Einrichtung zur Einkopplung einer von einem Laser bei einer Absorptionswellenlänge des aktiven Materials emittierten Pumpleistung in den Wellenleiter an einem Ende, und mit einer Einrichtung zur Einkopplung einer Signalleistung in den Wellenleiter, die durch das zu verstärkende Eingangssignal moduliert ist, bei der Emissionswellenlänge des aktiven Materials, wobei der Wellenleiter in einen mit dem aktiven Material dotierten Glaskörper integriert und eingebettet ist und der Wellenleiter in eng beabstandete, benachbarte Führungslängen zur Minimierung des für eine gegebene Länge des Wellenleiters nötigen Raumes integriert ist.

2. Optischer Signalverstärker nach Anspruch 1, bei dem die eng zueinander beabstandeten, benachbarten Führungs- bzw. Leiterlängen einen Spiralweg bilden.

3. Optischer Signalverstärker nach Anspruch 2, bei dem der Spiralweg aufeinanderfolgende, halbkreisförmige Leiterlängen aufweist, deren Radien in einer arithmetischen Reihe liegen.

4. Optischer Signalverstärker nach Anspruch 1, wobei die Führungslängen koplanar und im wesentlichen parallel sind, mit gekrümmten Abschnitten des Wellenleiters, welche jedes Paar benachbarter Leiterlängen auf einer Seite verbinden, wobei die gekrümmten Abschnitte des Wellenleiters auf wechselnden Seiten des Körpers für aufeinanderfolgende Paare der Leiterlängen gebildet sind.

5. Optischer Signalverstärker nach Anspruch 1, der auf zwei parallelen Flächen des Glaskörpers Spiegel aufweist, und bei dem der Wellenleiter einen planaren optischen Weg definiert, der zwischen diesen beiden Spiegeln zickzackförmig verläuft.

6. Optischer Signalverstärker nach Anspruch 5, bei dem die Spiegel niit dem Körper durch Metallisierung der Körperflächen integriert sind.

7. Optischer Signalverstärker nach Anspruch 1, wobei der Wellenleiter wenigstens zwei Wege aufweist, die einander in verschiedenen Ebenen überlagert sind, mit einer Einrichtung zur Verbindung der verschiedenen Wege zur Bildung des Wellenleiters.

8. Optischer Signalverstärker nach Anspruch 1, der außerdem eine Kopplereinrichtung aufweist, die in den dotierten Glaskörper integriert und wenigstens einem Ende des Wellenleiters zugeordnet ist.

9. Optischer Signalverstärker nach Anspruch 8, wobei die Kopplereinrichtung einen Koppler an einem Ende des Wellenleiters, aufweist, um den Pumpleistungseingang in den Leiter zu schaffen, sowie einen Koppler an dem anderen Ende zum Auskoppeln des verstärkten Lichtsignals.

10. Optischer Signalverstärker nach Anspruch 8, wobei die Kopplereinrichtung wenigstens einen Annäherungskoppler aufweist.

11. Optischer Signalverstärker nach Anspruch 1, wobei die Dotierung Erbiumionen aufweist und wobei die Wellenlänge der Signalleistung im Bereich von 1540 nm liegt.

12. Optischer Signalverstärker nach Anspruch 1, der zudem eine photoempfindliche Einrichtung, die an ein Ausgangsende des Wellenleiters zur Überwachung der nicht absorbierten Pumpleistung gekoppelt ist, aufweist, und bei dem der Glaskörper, der Pumplaser und die Photodetektoreinrichtung in einem Hybridschaltkreis ohne Anschlußfasern miteinander verbunden sind.

13. Verfahren zur Herstellung eines optischen Signalverstärkers mit stimulierter Emission, der einen optischen Glaswellenleiter aufweist, der mit einem optisch aktiven Material dotiert ist, das zur Erzeugung einer Besetzungsinversion unter Einfluß einer Pumpstrahlung fähig ist, und außerdem eine Einrichtung zum Einkoppeln einer von einem Laser bei einer Absorptionswellenlänge des aktiven Materials emittierten Pumpleistung in den Wellenleiter an einem Ende aufweist, und eine durch das zu verstärkende Eingangssignal modulierte Signalleistung bei der Emissionswellenlänge des aktiven Materials, und eine Einrichtung zum Auskoppeln eines verstärkten Ausgangssignals von einem anderen Ende des Wellenleiters,

wobei das Verfahren das Integrieren und Einbetten des optischen Wellenleiters in einen mit dem optisch aktiven Material durch photolithographisches Maskieren und Ionenaustausch dotierten Glaskörper aufweist, wobei der Wellenleiter in nahe zueinander beabstandete, benachbarte Führungsbzw. Leiterlängen zur Minimierung des für eine gegebene Länge des Wellenleiters nötigen Raumes integriert wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, das weiterhin das Integrieren von Annäherungskopplern in dem dotierten Glaskörper an den Enden des Wellenleiters aufweist, sowie den Koppler an einem Ende zur Schaffung des Pumpleistungseinganges zum Leiter, und den Koppler am anderen Ende zum Auskoppeln des verstärkten Lichtsignals.

15. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das optisch aktive Material Erbiumionen mit einem Emissionswellenlängenband im Bereich von 1540 nm aufweist.